DE2056669B2

DE2056669B2 - Safety circuit

Info

Publication number: DE2056669B2
Application number: DE2056669A
Authority: DE
Inventors: Martin J. Rochester N.Y. Morgan (V.St.A.)
Original assignee: Sybron Corp
Current assignee: Sybron Transition Corp
Priority date: 1970-02-11
Filing date: 1970-11-18
Publication date: 1978-05-24
Also published as: FR2079352B1; FR2079352A1; NL7100040A; GB1341409A; DE2056669C3; NL165011B; NL165011C; JPS461066A; ZA707457B; GB1341410A; CA938669A; DE2056669A1; US3631264A; KR790000034B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.The invention relates to a safety circuit according to the preamble of the main claim.

Eine Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs ist bereits aus der Zeitschrift »Proceedings IEE«, Band IU, Nr. 12, Dezember 1966, Seite 2070 bis 2073 bekannt. Jede Schranke dieser Sicherheitsschaltung weist drei Widerstände und zwei Zenerdioden auf, infolgedessen der Aufwand an Bauelementen relativ groß ist. Einer der drei Widerstände ist insbesondere zur zerstörungsfreien Prüfung jeder Schranke durch Impedanzmessung vorgesehen. Bei derartigen Sicherheitsschaltungen ist häufig ein Austausch von einzelnen Schranken notwendig, d. h. fehlerhafte Schranken müssen durch neue Schranken ersetzt werden. Der Aufbau von Schranken mit relativ vielen Bauelementen ist dabei nachteilig, da die fehlerhaft arbeitende Schranke im allgemeinen nach Ersatz durch eine neue Schranke weggeworfen wird. Der Aufbau der einzelnen Schranken erfordert den Einsatz einer schnell ansprechenden Sicherung, wodurch sich der Nachteil ergibt, daß die einzelnen Schranken bei kurzen Spannungsstößen außer Betrieb gesetzt werden. Die Vielzahl von Bauelementen, die bei der bekannten Sicherheitsschaltung vorgesehen werden müssen, trägt unweigerlich zu einer hohen Ausfallsquote bei, die letztlich abhängig von der Zahl der verwendeten Bauelemente ist. Der Aufbau dieser Sicherheitsschaltung ist relativ aufwendig, der Austausch einzelner Schranken ist mit vergleichbar hohen Kosten verbunden. A safety circuit according to the preamble of the main claim is already from the magazine "Proceedings IEE", Volume IU, No. 12, December 1966, pages 2070-2073. Every limit of this The safety circuit has three resistors and two zener diodes, which is why the effort is too high Components is relatively large. One of the three resistors is especially useful for non-destructive testing Barrier provided by impedance measurement. In the case of such safety circuits, an exchange is often necessary required by individual barriers, d. H. faulty barriers have to be replaced by new ones be replaced. The construction of barriers with a relatively large number of components is disadvantageous because the malfunctioning barrier is generally thrown away after being replaced by a new barrier. The construction of the individual barriers requires the use of a fast-responding fuse, which means the disadvantage arises that the individual barriers out of operation in the event of short voltage surges be set. The multitude of components that are provided in the known safety circuit must inevitably contribute to a high failure rate, which ultimately depends on the number of used Components is. The construction of this safety circuit is relatively complex, the replacement of individual ones Barriers are associated with comparably high costs.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sicherheitsschaltung mit Eigensicherheit zu schaffen, bei der die einzelnen Schranken einfachen Aufbau haben und bei der insgesamt eine größere Sicherheit gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird erfin.dungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptan- "> Spruchs gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.In contrast, the invention is based on the object of creating a safety circuit with intrinsic safety, in which the individual barriers have a simple structure and in which, overall, greater safety is guaranteed. This object is solved by the subject matter of the erfin.dungsgemäß Hauptan- "> award. Further embodiments of the invention emerge from the subclaims.

Die erfindungsgemäße Sicherheitsschaltung hat hinsichtlich der verwendeten Schranken einfachen Aufbau, so daß ein Austausch von Schranken mit reduziertenThe safety circuit according to the invention has a simple structure with regard to the barriers used, so that an exchange of barriers with reduced

m Kosten verbunden ist. Die Vereinfachung des Aufbaus wird durch den Einsatz einer Haupt-Schranke ermöglicht, der die Gesamtfunklion der Sicherheitsschaltung verbessert. Darüber hinaus wird die Wahrscheinlichkeit eines erforderlichen Austausche einer Schranke verringert. Der Ausfall der Haupt-Schranke ist praktisch unmöglich, da die Hauptschranke einen Gleichrichter-Schutzkreis zur Überbrückung der in der Haupt-Schranke eingesetzten zweiten Zenerdiode enthält.
Die Sicherheitsschaltung, die eine Begrenzung elekfrischer Energie auf einen eigensicheren Betrag während einer Übertragung bewirkt, enthält η einzelne Schranken, von denen jede eine Sicherung und zwei Widerstände in Reihenschaltung und eine Zenerdiode zur Begrenzung der Spannung an der Verbindung derm associated with costs. The simplification of the structure is made possible by the use of a main barrier, which improves the overall functionality of the safety circuit. In addition, the probability that a barrier will have to be replaced is reduced. The failure of the main barrier is practically impossible because the main barrier contains a rectifier protection circuit to bypass the second Zener diode used in the main barrier.
The safety circuit, which limits electrical energy to an intrinsically safe amount during a transmission, contains η individual barriers, each of which has a fuse and two resistors in series and a Zener diode to limit the voltage at the connection

J^r> Widerstände aufweist. Eine Hochspannungsschalteinrichtung fuhrt jede derartige Spannung zu der Hauptschranke, welche eine spannungsbegrenzende Zenerdiode aufweist. Die Zenerdiode ist durch einen gesteuerten Gleichrichter überbrückt, welcher leitendJ ^r > has resistances. A high-voltage switching device leads any such voltage to the main barrier, which has a voltage-limiting Zener diode. The Zener diode is bridged by a controlled rectifier, which is conductive

ⁱ⁽> ist, wenn letztere Diode übersteuert wird. Bei der Sicherheitsschaltung ist im Gegensatz zum Bekannten eine Schranke durch zwei Schranken ersetzt, d. h. η Schranken sind durch (n+\) Schranken ersetzt, wobei der Aufbau der einzelnen Schranken derart vereinfacht ^{i (} > is when the latter diode is overdriven. In the safety circuit, in contrast to what is known, one barrier is replaced by two barriers, ie η barriers are replaced by (n + \) barriers, whereby the structure of the individual barriers is simplified in this way

^r> ist, daß für verhältnismäßig kleine Werte von η die Kosten für (n+ I) Schranken geringer als die Kosten für η Schranken bei der bekannten Sicherheitsschaltung sind. Die (n+\) Schranke, d.h. die Haupt-Schranke, besteht aus einer einzigen Zenerdiode, die über eine ODER-Schaltung aus Dioden der Schranken mit diesen Schranken verbunden ist. Jede Schranke besteht aus einer Sicherung, zwei Widerständen, einer Zenerdiode und einem Teil der ODER-Schaltung. Durch die ODER-Schaltung wird erreicht, daß die Zenerdiode der Haupt-Schranke als die zweite Zenerdiode jeder einzelnen Schranke wirkt. Die einzelnen Schranken arbeiten daher wie die bekannten Schranken mit zwei Zenerdioden. Die Sicherheitsschaltung eignet sich aufgrund ihrer erhöhten Eigensicherheit auch für Atmosphären wie Acetylen oder Wasserstoff. ^r > is that for relatively small values of η the costs for (n + I) barriers are lower than the costs for η barriers in the known safety circuit. The (n + \) barrier, ie the main barrier, consists of a single Zener diode, which is connected to these barriers via an OR circuit of diodes from the barriers. Each barrier consists of a fuse, two resistors, a Zener diode and part of the OR circuit. The OR circuit ensures that the Zener diode of the main barrier acts as the second Zener diode of each individual barrier. The individual barriers therefore work like the known barriers with two Zener diodes. Due to its increased intrinsic safety, the safety circuit is also suitable for atmospheres such as acetylene or hydrogen.

Die Wahrscheinlichkeit des Ausfalls einzelner Schranken der Sicherheitsschaltung ist verringert, da die Sicherungen der einzelnen Schranken für höhere Stromwerte ausgelegt sind. Ein Durchbrennen der Sicherungen durch kurze Spannungsstöße wird damit und aufgrund der begrenzenden Wirkung der Zenerdioden verhindert.The probability of failure of individual barriers in the safety circuit is reduced because the fuses of the individual barriers are designed for higher current values. A burnout of the Fuses due to short voltage surges are thus and due to the limiting effect of the Zener diodes prevented.

Besonders vorteilhaft ist der Ersatz einer der beiden Widerstände der Schranken durch einen strombegren-It is particularly advantageous to replace one of the two resistors of the barriers with a current limiting

^6U zenden Widerstand in Form von Transistorschaltungen, wodurch eine höhere Eigensicherheit erreicht wird. ^6U lessening resistance in the form of transistor circuits, whereby a higher intrinsic safety is achieved.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Hand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigtIn the following preferred embodiments of the invention with reference to drawings described. It shows

^h> F i g. 1 den Aufbau der Sicherheitsschaltung, ^h > F i g. 1 the structure of the safety circuit,

F i g. 2 die Schaltung einer Schranke, bei der ein Widerstand durch eine FET-Schaltung ersetzt ist,
F i g. 3 ein gegenüber F i g. 2 abgewandeltes Schalt-F i g. 2 the circuit of a barrier in which a resistor is replaced by an FET circuit,
F i g. 3 a opposite F i g. 2 modified switching

bild einer Schranke,image of a barrier,

Fig.4 ein Schaltbild einer Schranke, bei der ein Widerstand durch einen einzigen FET ersetzt ist, und4 is a circuit diagram of a barrier in which a resistor is replaced by a single FET, and

Fig. 5 ein Schallbild einer weiteren Schranke mit einem einzigen Transistor.5 shows a sound image of a further barrier a single transistor.

Fig. 1 zeigt eine Sicherheitsschaltung mit insgesamt /7+1 Schranken. Nach Fig. 1 sind η Schranken 5 und eine die (n-f 1 )-te Schaltung bildende Haupt-Schranke 5 vorgesehen, wobei nur vier Schranken 5 dargestellt sind. Von einer Schränke 5 und einer Haupt-Schranke 5' sind Einzelheiten der jeweiligen Schaltung dargestellt.Fig. 1 shows a safety circuit with a total of / 7 + 1 barriers. According to FIG. 1, η barriers 5 and a main barrier 5 forming the (nf 1) th circuit are provided, only four barriers 5 being shown. Details of the respective circuit are shown for a cabinet 5 and a main barrier 5 '.

Jede der η Schranken 5 enthält Widerstände Ru R], und eine Zenerdiode Zi, während die Haupt-Schranke 5' eine Zenerdiode Z₂ und 13, einen Widerstand 12 und einen Silizium-Gleichrichter U aufweist. Die Zenerdiode Zi ist über eine Leitung 6 mit einem äußeren Anschluß 7 der η-ten Schranke 5 verbunden. Die Schaltung der Schranken 5 ist vorzugsweise in Epoxyharz mit dem Rest der Schaltung dieser Schranke eingekapselt und weist eine Diode 8 auf, die den Anschluß 7 mit der Kathode der Zenerdiode Z\ verbindet. Da die Anode der Diode 8 mit der Kathode der Zenerdiode Z\ verbunden ist, wird eine positive Spannung von der Kathode der Zenerdiode Zi über die Diode 8 in Durchlaßrichtung an die Kathode der Zenerdiode Zi angelegt. Ein Vergleich der Zenerspannungen der Zenerdioden Z\ und Zi, deren Betrag in den Figuren angegeben ist, zeigt, daß die n-te Schranke S und die Haupt-Schranke 5' derart arbeiten, daß die Zenerdiode Zi vor der Zenerdiode Zi zündet.Each of the η barriers 5 contains resistors Ru R] and a Zener diode Zi, while the main barrier 5 'has a Zener diode Z ₂ and 13, a resistor 12 and a silicon rectifier U. The Zener diode Zi is connected to an external connection 7 of the η-th barrier 5 via a line 6. The circuit of the barriers 5 is preferably encapsulated in epoxy resin with the rest of the circuit of this barrier and has a diode 8 which connects the terminal 7 to the cathode of the Zener diode Z \ . Since the anode of the diode 8 is connected to the cathode of the Zener diode Z \ , a positive voltage is applied from the cathode of the Zener diode Zi via the diode 8 in the forward direction to the cathode of the Zener diode Zi . A comparison of the zener voltages of the zener diodes Z \ and BR, the amount of which is indicated in the figures shows that the n-th barrier S and the main barrier 5 'operate such that the Zener diode Zi ignites before the Zener diode Zi.

Die übrigen π Schranken 5 haben gleiche Schaltung wie die n-te Schranke 5, was durch die (n — l)-te Schranke 5 angedeutet ist, die ein Gehäuse und äußere Anschlüsse 1 bis 4 und 7 aufweist. Der Anschluß 7 ist mit einer Leitung 6 verbunden. Die in F i g. 1 oben gezeigten Schranken 5 am Anfang der Sicherheitsschaltung, die an der Oberseite einer Erdleitung GB in einem Gehäuse vorgesehen sind, haben Anschlüsse I bis 4 und 7, wobei die Anschlüsse 7 in entsprechender Weise mit der Leitung 6 verbunden sind. Alle Schranken 5 sind eingekapselt und mit einem Gehäuse versehen, wie in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Die (n+ l)-te Schranke hat nur zwei äußere Anschlüsse 9,10, von welcher der Anschluß 9 mit der Kathode der Zenerdiode Zi in Verbindung steht. Der Anschluß 10 ist an die Anode der Zenerdiode Zi und an die Erdleitung GB angelegt, welche auch als Halteeinrichtung für die (n+l)-te Schranke 5 dienen kann und vorzugsweise mehrfach geerdet ist, wie in F i g. 1 unten gezeigt ist.The remaining π barriers 5 have the same circuit as the nth barrier 5, which is indicated by the (n − l) th barrier 5, which has a housing and external connections 1 to 4 and 7. The connection 7 is connected to a line 6. The in F i g. 1, the barriers 5 shown above at the beginning of the safety circuit, which are provided in a housing on the top of an earth line GB , have connections I to 4 and 7, the connections 7 being connected to the line 6 in a corresponding manner. All barriers 5 are encapsulated and provided with a housing, as indicated in FIG. 1 by dashed lines. The (n + l) -th barrier has only two external connections 9, 10, of which connection 9 is connected to the cathode of the Zener diode Zi . The connection 10 is applied to the anode of the Zener diode Zi and to the ground line GB , which can also serve as a holding device for the (n + 1) -th barrier 5 and is preferably grounded several times, as in FIG. 1 shown below.

Die Dioden 8 der einzelnen Schranken 5 bilden eine ODER-Schaltung, welche einen Höchstwert auswählt. Dies bedeutet, daß die Spannung an der Kathode der Zenerdiode Z₂ die höchste der Anodenspannungen der Dioden 8 ist. Diese höchste Spannung verursacht, daß die anderen Dioden in umgekehrter Richtung vorgespannt sind, wodurch die entsprechenden Schranken 5 gegenüber dem Anschluß 9 gesperrt sind. Wenn so beispielsweise die n-te Schranke 5 an ihrer Diode S die höchste Anodenspannung aufweist und wenn diese Anodenspannung groß genug ist, um die Zenerdiode Zi zu zünden, können die Anodenspannungen der anderen Dioden 8 einen beliebigen Wert haben, der auch groß genug für die Zündung der Zenerdiode Zi ist, *obei die Zündung durch diese letztere Anodenspannung nicht möglich ist, solange die Diode 8 der n-ten Schranke 5 die höchste Anodenspannung hat. Die Eigensicherheit für das an die Anschlüsse 3 und 4 der Schranke η angeschlossene nicht dargestellte Gerät ist sehr groß,The diodes 8 of the individual barriers 5 form an OR circuit which selects a maximum value. This means that the voltage at the cathode of the Zener diode Z _{2 is} the highest of the anode voltages of the diodes 8. This highest voltage causes the other diodes to be biased in the opposite direction, whereby the corresponding barriers 5 with respect to the terminal 9 are blocked. If, for example, the nth barrier 5 has the highest anode voltage at its diode S and if this anode voltage is high enough to ignite the Zener diode Zi , the anode voltages of the other diodes 8 can have any value that is also high enough for the The Zener diode Zi is ignited, * although ignition by this latter anode voltage is not possible as long as the diode 8 of the nth barrier 5 has the highest anode voltage. The intrinsic safety for the device (not shown) connected to connections 3 and 4 of the barrier η is very high,

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während die Eigensicherheit für das mit den Anschlüssen 3, 4 der (n—l)-ten Schranke 5 verbundene Gerät etwas geringer ist, weil die λ —te Schranke die Zenerdiode Zi der (n+l)-ten Schranke, d.h. der Haupt-Schranke 5' steuert. Die Wahrscheinlichkeit, daß die n-te und (n-l)-te Schranke gleichzeitig arbeiten müssen, ist sehr gering und daher vernachlässigbar.while the intrinsic safety for the device connected to the connections 3, 4 of the (n-l) -th barrier 5 is somewhat lower because the λ -th barrier is the Zener diode Zi of the (n + l) -th barrier, ie the main Barrier 5 'controls. The probability that the n-th and (nl) -th bound have to work simultaneously is very small and therefore negligible.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Sicharheitsschaltung ist beim Austausch einer nicht richtig arbeitenden Schranke durch eine neue Schranke nur eine Zenerdiode, zwei Präzisionswiderstände und die Diode 8 durch eine gleiche Schaltung mit diesen Bauteilen auszutauschen. Bis zu 50 Schranken 5 können in Verbindung mit nur einer Hauptschranke 5' vorgesehen werden, welche die Zenerdiode Zi enthält; die Zenerdiode Zi ist für eine große Zuverlässigkeit der Sicherheitsschaltung auszulegen. Die Zenerdiode Z₂ wird vorzugsweise auf 50 Watt ausgelegt. Dadurch ist nicht nur die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Zenerdiode Zi, sondern auch die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls der Zenerdiode Zi in den einzelnen Schrauben verringert. Die Wahrscheinlichkeit eines Austauschs einer Schranke aufgrund von Fehlern, die nicht durch den Ausfall einer Sicherung bedingt sind, sowie durch den Ausfall einer Sicherung aufgrund innerer Fehler in der Schranke ist damit reduziert.In the case of the security circuit shown in FIG. 1, only one Zener diode, two precision resistors and the diode 8 have to be replaced by an identical circuit with these components when a barrier that is not working properly is replaced by a new one. Up to 50 barriers 5 can be provided in connection with only one main barrier 5 ', which contains the Zener diode Zi ; the Zener diode Zi is to be designed for a high reliability of the safety circuit. The Zener diode Z ₂ is preferably designed for 50 watts. This not only reduces the probability of failure of the Zener diode Zi, but also the probability of failure of the Zener diode Zi in the individual screws. The probability of a barrier being replaced due to errors that are not caused by the failure of a fuse, as well as by the failure of a fuse due to internal errors in the barrier, is thus reduced.

Die Auslegung der Zenerdiode Z₂ für eine höhere Leistung ermöglicht eine hohe Auslegung der Sicherung F. Deshalb kann im Gegensatz zu einer Schrankenschaltung, bei der eine schnell ansprechende Sicherung mit Ve Ampere Verwendung findet, in den einzelnen Schranken eine schnell ansprechende Sicherung für 1 A verwende¹ werden. Dadurch wird ein Durchbrennen der Sicherung aufgrund von solchen Spannungsstößen verhindert, welche durch die Wirkung der Zenerdioden der Schranken unterdrückt werden können.The design of the Zener diode Z ₂ for a higher output enables a high design of the fuse F. Therefore, in contrast to a barrier circuit in which a fast-responding fuse with Ve amperes is used, a fast-responding fuse for 1 A can be used in the individual barriers ¹ become. This prevents the fuse from burning out due to voltage surges that can be suppressed by the action of the Zener diodes of the barriers.

Da die Sicherung Flangsam ansteigende Spannungsstöße mit verhältnismäßig hohen Stromstärken aufnehmen kann, ist der Widerstand R\ vorzugsweise ein gewickelter Widerstand aus Draht für eine Durchgangsleistung von 2 W, so daß er wie eine träge Sicherung arbeitet. Deshalb öffnet ein langsamer Anstieg auf 1 Ampere, der die schnell ansprechende Sicherung F nicht durchschmelzen läßt, die Wicklung des Widerstands Ru da eine Leistung von 25 Watt in dem Widerstand Ri zu einem schnellen Durchbrennen seiner Wicklung führt.Since the fuse can absorb slowly rising voltage surges with relatively high currents, the resistor R \ is preferably a wound resistor made of wire for a throughput of 2 W, so that it works like a slow-blow fuse. Therefore, a slow increase to 1 ampere, which does not allow the fast-responding fuse F to blow, opens the winding of the resistor Ru, since a power of 25 watts in the resistor Ri leads to its winding being quickly burned out.

Die Haupt-Schranke 5', welche die (n-\- l)-te Schranke in der Sicherheitsschaltung ist, enthält vorzugsweise einen Siliziumgleichrichter 11, einen Widerstand 12 mit 1 kn und eine Zenerdiode 13 (39 Volt, '/2 Watt), deren Anode über den Widerstand 12 mit der Kathode des angesteuerten Siliziumgleichrichters 11 verbunden ist. Da die Kathode der Zenerdiode 13 mit der Anode des Siliziumgleichrichters It und mit der Kathode der Zenerdiode Zi und die Kathode des Siliziumgleichrichters U mit der Anode der Zenerdiode Z₂ verbunden ist, wird der Siliziumgleichrichter 11 gezündet, wodurch sich ein Nebenschluß zur Zenerdiode Z₂ ergibt, wenn die Spannung an dem Anschluß 9 hinreichend angestiegen ist. Dadurch wird die Zenerdiode Z₂ geschützt. Normalerweise wird der Siliziumgleichrichter 11 nicht wirksam, wenn die Spannung am Anschluß 1 einer einzelnen Schranke 5 nicht ausreichend hoch zur Zündung der Zenerdiode Zi und zur Zündung der Zenerdiode Z₂ ist; die Sicherung Foder der Widerstand R\ kann nicht durchschmelzen. Die beiden Zenerdioden Zi und Z₂ werden durch die durch sie fließenden StrömeThe main barrier 5 ', which is the (n - \ - l) -th barrier in the safety circuit, preferably contains a silicon rectifier 11, a resistor 12 with 1 kn and a Zener diode 13 (39 volts,' / 2 watt), the anode of which is connected to the cathode of the activated silicon rectifier 11 via the resistor 12. Since the cathode of the Zener diode 13 is connected to the anode of the silicon rectifier It and to the cathode of the Zener diode Zi and the cathode of the silicon rectifier U is connected to the anode of the Zener diode Z ₂ , the silicon rectifier 11 is ignited, resulting in a shunt with the Zener diode Z ₂ when the voltage at terminal 9 has risen sufficiently. This protects the Zener diode Z ₂ . The silicon rectifier 11 is normally not effective if the voltage at the terminal 1 of an individual barrier 5 is not high enough to ignite the Zener diode Zi and to ignite the Zener diode Z ₂ ; the fuse F or the resistor R \ cannot blow. The two Zener diodes Zi and Z ₂ are activated by the currents flowing through them

übersteuert, so daß der Spannungsabfall an ihnen beträchtlich über ihre nominellen Zündspannungen ansteigen kann. Dieser Anstieg ist ein Maß für den durch die Zenerdiode Zi fließenden Strom. Der Siliziumgleichrichter 11 bewirkt einen Nebenschluß der Zenerdiode Zi, wenn ein solcher Anstieg vorliegt, daß der Strom durch die Zenerdiode eine solche Höhe erreichen würde, daß die Zenerdiode Zi beschädigt wird. Wenn die Spannung am Anschluß 9 diesen Wert erreicht, läßt die Zenerdiode 13 den Siliziumgleichrichter 11 leitend werden. Da im Leitzustand, d. h. bei einer Zündung des Siliziumgleichrichters 11 die Kathode der Zenerdiode Zi über den sehr kleinen Anoden-Kathoden-Widerstand des Gleichrichters geerdet wird, werden die Zenerdiode Zi und die Zenerdiode Z\ gesperrt. Wenn der Siliziumgleichrichter 11 in den Leitzustand geschaltet ist, bleibt er so lange leitend, bis er von der angeschlossenen Stromquelle wieder gesperrt wird. Der Siliziumgleichrichter 11 wird daher durch das Durchschmelzen der Sicherung F oder des Widerstands R₁ gesperrt. Der Siliziumgleichrichter 11 kann wesentlich höhere Ströme führen als jedes andere Element in der Schaltung der Schranken. Da der gesteuerte Siliziumgleichrichter 11 normalerweise leitend ist, ist er praktisch im Vergleich zu den normalerweise nicht leitenden Zenerdioden ausfallsicher, die nur während derjenigen kurzen Zeitspanne leitend sind, die zum Durchschmelzen der Sicherung benötigt wird.overdriven so that the voltage drop across them can rise considerably above their nominal ignition voltages. This increase is a measure of the current flowing through the Zener diode Zi. The silicon rectifier 11 shunts the Zener diode Zi if there is such an increase that the current through the Zener diode would reach such a level that the Zener diode Zi is damaged. When the voltage at the terminal 9 reaches this value, the Zener diode 13 makes the silicon rectifier 11 conductive. Since in the conductive state, ie when the silicon rectifier 11 is ignited, the cathode of the Zener diode Zi is grounded via the very small anode-cathode resistance of the rectifier, the Zener diode Zi and the Zener diode Z \ are blocked. When the silicon rectifier 11 is switched to the conductive state, it remains conductive until it is blocked again by the connected power source. The silicon rectifier 11 is therefore blocked by the melting of the fuse F or the resistor R _1. The silicon rectifier 11 can carry significantly higher currents than any other element in the circuit of the barriers. Since the silicon controlled rectifier 11 is normally conductive, it is practically fail-safe in comparison to the normally non-conductive Zener diodes, which are only conductive during the short period of time required to blow the fuse.

Solange sichere Energiebeträge auftreten, stellen die Schranken nicht nur Gleichspannungsanschlüsse dar, welche einen Teil einer Übertragungsleitung bilden, die sichere Teile und gefährliche Teile einer Anlage mit Eigensicherheit verbindet. Diese Teile sind in den beiden oberen Schranken 5 in Fig. 1 als Gleichspannungsquellen und Wechselspannungsquellen und als Widerstände dargestellt, die eine mehr oder weniger lange Übertragungsleitung abschließen. Normalerweise verbindet die Übertragungsleitung die Gleichspannungsquellen mit den entsprechenden Lastwiderständen. Die Wechselspannungsquellen, welche z. B. Wechselspannungs-Netzleitungen darstellen, können für unsichere Energiewerte als Einrichtungen zum Schalten elektrischer Energie (Wechselspannung oder Gleichspannung) in den Übertragungsleitungen vorgesehen sein. Als Schalteinrichtungen müssen nicht übliche Schalteinrichtungen verwendet werden; es soll jedoch eine Einrichtung eingesetzt werden, die verhindern kann, daß eine Wechselspannung an eine Übertragungsleitung angelegt wird. Die Art der Geräte, die den sicheren und den gefährlichen Teil bilden, ist nicht wesentlich, da es sich funktionsmäßig in allen Fällen um elektrische Energiequellen und um die Last dieser Energiequellen handelt.As long as safe amounts of energy occur, the barriers not only represent DC voltage connections, which form a part of a transmission line, the safe parts and dangerous parts of a system with Intrinsic safety connects. These parts are in the two upper bounds 5 in FIG. 1 as DC voltage sources and AC voltage sources and represented as resistors that have a more or less terminate long transmission line. Usually the transmission line connects the DC voltage sources with the corresponding load resistances. The AC voltage sources which z. B. AC power lines can be used for unsafe energy values as devices for switching electrical energy (alternating voltage or direct voltage) be provided in the transmission lines. As switching devices do not have to be usual Switching devices are used; however, a device should be used to prevent this can apply AC voltage to a transmission line. The type of devices that support the The safe and the dangerous part is not essential as it is functional in all cases electrical energy sources and the load of these energy sources.

Das Ausmaß der Eigensicherheit der Sicherheitsschaltung nach Fig. 1 kann erhöht werden, indem die Widerstände R₃ durch Transistorschaltungen entsprechend den Fig.2 und 3 ersetzt werden. Derartige Transistorschaltungen ergeben eine Eigensicherheit der Sicherheilsschaltung auch für Acetylen, Wasserstoff und entsprechende Atmosphären.The degree of intrinsic safety of the safety circuit according to FIG. 1 can be increased by replacing the resistors R ₃ with transistor circuits according to FIGS. Such transistor circuits result in an intrinsic safety of the safety circuit also for acetylene, hydrogen and corresponding atmospheres.

In Fig.2 ist der Widerstand R₁ (Fig. 1) durch Feldeffekttransistoren (FET) 14 und 15 ersetzt. Die Source-Elcktrode des FET 14 ist mit der Drain-Elektrode des FET 15 über einen Widersland 16 verbunden. Die Source-Elektrode des FET 15 ist über einen Widerstand 17 mit dem Anschluß 3 verbunden. Die Drain-Elektrode des FET 14 ist an die Anode der Diode 8 und an die Kathode der Zenerdiode Z\ angeschlossen.In FIG. 2, the resistor R ₁ (FIG. 1) has been replaced by field effect transistors (FET) 14 and 15. The source electrode of the FET 14 is connected to the drain electrode of the FET 15 via an opposing land 16. The source electrode of the FET 15 is connected to the terminal 3 via a resistor 17. The drain electrode of the FET 14 is connected to the anode of the diode 8 and to the cathode of the Zener diode Z \ .

Die Widerstände 16 und 17 erzeugen eine Vorspannung für die ITTs 14, 15. Die Spannung der Drain-Elektrode des FET 15 wird an dessen Gate-Elektrode angelegt, und die Spannung am Anschluß 3 wird an die Gate-Eleklrode des FET 15 angelegt. Die Widerstände 16 und 17 sind so ausgewählt, daß bei dem größten normalerweise zu erwartenden Slromwert des von der Drain- zur Source-Elektrode fließenden Stroms der Widerstand zwischen der Source- und Drain-Elektrode jedes FET nicht mehr als etwa die Hälfte des Widerstands von Rj beträgt, oder in jedem Fall so ist, daß die Summe der Widerstände zwischen Source- und Drain-Elektrode gleich dem Wert des Widerstands R₃ ist. Der zwischen Drain- und Source-Elektrode fließende Strom sollte ferner einen solchen Wert haben, daß er die FETs etwa in ihrer Pinch-off-Spannung vorspannt. Als Folge davon ergeben höhere Ströme eine Vorspannung eines oder beider FETs oberhalb der Pinch-off-Spannung. Dadurch wird der Strom auf einen Wert begrenzt, der größer als der Normalwert, aber nicht wesentlich größer ist, falls er nicht so groß wird, um einen Lawinendurchbruch bei einem FET zu erzeugen. Anfänglich tritt jedoch nur bei einem der FETs ein Pincheffekt auf, während dies bei dem anderen praktisch nicht der Fall ist. Wenn bei dem FET bei der Pinchspannung der Lawinendurchbruch auftritt, begrenzt der andere FET den Lawinendurchbruchstrom, bis bei ihm selbst der Lawinendurchbruch auftritt. Die Wahrscheinlichkeit, daß bei beiden Transistoren ein Lawineneffekt auftritt, ist praktisch Null, selbst im Vergleich zu der Wahrscheinlichkeit, daß die Sicherheitsschaltung nicht das gewünschte Ausmaß an Eigensicherheit bringt.
Der Wert der Widerstände 16 und 17 hängt von den speziellen Stromstärken etc., der FETs, ab. Die beiden FETs 14, 15 haben vorzugsweise einen maximalen Source-Drain-Widerstand von etwa 60 Ohm oder weniger, solange sie in dem sogenannten Triodenbereich unterhalb der Pinchspannung arbeiten. Dieser Wert des Widerstands wird bei einer Eigenvorspannung von Null erreicht, wobei die Widerstände 16 und 17 Werte von Null Ohm haben; dies bedeutet, daß die Gate- und die Source-Elektroden des FET 14 direkt miteinander und mit der Drain-Elektrode des FET 15 verbunden sind, währenddessen Source- und Gate-Elektrode direkt miteinander und mit dem Anschluß 3 verbunden sind.Resistors 16 and 17 bias ITTs 14, 15. The voltage of the drain electrode of FET 15 is applied to its gate electrode, and the voltage at terminal 3 is applied to the gate electrode of FET 15. Resistors 16 and 17 are selected so that at the highest normal value of current to flow from drain to source, the resistance between the source and drain of each FET will not be more than about half the resistance of Rj is, or in any case is such that the sum of the resistances between the source and drain electrode is equal to the value of the resistor R ₃ . The current flowing between the drain and source electrodes should also have a value such that it biases the FETs approximately at their pinch-off voltage. As a result, higher currents bias one or both of the FETs above the pinch-off voltage. This limits the current to a value that is greater than normal, but not significantly greater if it is not so great as to cause an avalanche breakdown in an FET. Initially, however, only one of the FETs pinches and the other practically does not. When the avalanche breakdown occurs at the pinch voltage of the FET, the other FET limits the avalanche breakdown current until the avalanche breakdown occurs itself. The probability that an avalanche effect will occur in both transistors is practically zero, even compared to the probability that the safety circuit does not bring the desired degree of intrinsic safety.
The value of the resistors 16 and 17 depends on the particular currents, etc., of the FETs. The two FETs 14, 15 preferably have a maximum source-drain resistance of approximately 60 ohms or less, as long as they operate in the so-called triode region below the pinch voltage. This value of the resistance is achieved with a self-bias of zero, the resistors 16 and 17 have values of zero ohms; this means that the gate and source electrodes of the FET 14 are connected directly to one another and to the drain electrode of the FET 15, while the source and gate electrodes are connected directly to one another and to the terminal 3.

Bei einem zwischen Drain- und Source-Anschluß fließenden Strom im Bereich von 25 bis 75 Milliampere würde einer der zwei FETs einen Pincheffekt zeigen, so daß die erwähnten Folgen auftreten könnten.With a current flowing between the drain and source connection in the range of 25 to 75 milliamperes one of the two FETs would show a pinching effect, so that the consequences mentioned could occur.

Fig.3 zeigt eine Bipolar-Transistorschaltung. Dem Feldeffekttransistor 14 in Fig.2 entspricht ein npn-Transistor 18 mit einem Basiswiderstand 19 und einem Emitterwiderstand 20 zur Erzeugung einer Eigenvorspannung. Dem Feldeffekttransistor 15 entspricht ein npn-Transistor 21 mit einem Emitterwiderstand 23 und einem Basiswiderstand 22 zur Eigenvorspannung. Zenerdioden 24 und 25 verbinden die Basen derFig. 3 shows a bipolar transistor circuit. To the Field effect transistor 14 in FIG. 2 corresponds to an npn transistor 18 with a base resistor 19 and an emitter resistor 20 for generating a self-bias. The field effect transistor 15 corresponds to an npn transistor 21 with an emitter resistor 23 and a base resistor 22 for self-biasing. Zener diodes 24 and 25 connect the bases of the

''" npn-Transistoren 18, 21 derart, daß eine Eigenvorspannung erfolgt und ermöglichen einen Stromdurchgang in beiden Richtungen.'' "npn transistors 18, 21 such that a self-bias takes place and allow current to flow in both directions.

Im allgemeinen kann ein Transistor Verwendung finden, wenn die gesamten VorspannungswiderständeIn general, a transistor can be used when all of the bias resistors

' '· und die Drain-Source (oder Emitter-Kollektor-)Widerständc zusammen den Wert des zu ersetzenden Widerstands ft ergeben.
V.s kann auch nur ein einziger Transistor in den'' · And the drain-source (or emitter-collector) resistance together give the value of the resistance ft to be replaced.
Vs can also only have a single transistor in the

gezeigten Schaltungen verwendet werden. Ein einziger Transistor für den Widerstand für Ri würde die Eigensicherheit erniedrigen, welche durch die beiden Zenerdioden und die Sicherung der Schaltung gegeben ist. Zwei Transistoren gewährleisten dagegen eine hohe Sicherheit. Der wahrscheinlichste Ausfallgrund für einen Feldeffekttransistor (oder einen bipolaren Transistor) ist ein Kurzschluß zwischen der Drain- und der Source-Elektrode (oder dem Kollektor und dem Emitter), weshalb jeder Transistor im Ergebnis den anderen automatisch ersetzt, wenn dieser ausfallen sollte.circuits shown can be used. A single transistor for the resistance for Ri would reduce the intrinsic safety, which is given by the two Zener diodes and the fuse of the circuit. Two transistors, on the other hand, ensure a high level of security. The most likely cause of failure of a field effect transistor (or a bipolar transistor) is a short circuit between the drain and source electrodes (or the collector and emitter), which is why each transistor automatically replaces the other if one should fail.

Die Verwendung von Transistoren anstelle von Widerständen ergibt eine Erhöhung des Sicherheitsfaktors aufgrund der empfindlichen Stromregelung bzw. Strombegrenzung. Widerstände arbeiten normalerweise nicht wie Transistoren, weil sie keinen positiven Temperaturkoeffizienten haben; in jedem Fall sprechen sie auf Stromänderungen zu langsam an, um in den Schranken eine geeignete Strombegrenzung zu gewährleisten. Es können ferner Transistoren mit einem Ausfall im offenen oder gesperrten Zustand angewandt werden, so daß im ersteren Fall der zusätzliche Transistor vermieden werden kann und dieselben Vorteile wie bei der Verwendung des zusätzlichen Transistors erzielt werden.The use of transistors instead of resistors results in an increase in the safety factor due to the sensitive current control or Current limitation. Resistors don't usually work like transistors because they aren't positive Have temperature coefficients; in any case, they respond too slowly to changes in current to be in the Barriers to ensure a suitable current limitation. It can also have transistors with a failure are applied in the open or blocked state, so that in the former case the additional transistor can be avoided and the same advantages achieved as when using the additional transistor will.

Die in F i g. 2 und 3 angegebenen Werte hängen von dem Widerstand A₃ ab, der gegenüber der in F i g. 1 gezeigten Schaltung der Schranken 5 ersetzt wird. In dieser Schaltung hat jede Schranke zu jeder Zeit ihre eigene Zenerdiode Zi. The in F i g. The values given in FIGS. 2 and 3 depend on the resistance A ₃ , which is opposite to that shown in FIG. 1 circuit of the barriers 5 shown is replaced. In this circuit, each barrier has its own Zener diode Zi at all times.

Fig.4 zeigt eine Schaltung mit einem einzigen Transistor anstelle des Widerstands A₃ in Fig. 1. Als Transistor ist ein FET 26 eingesetzt, der einen Widerstand 27 für die Erzeugung einer Eigenvorspannung hat. Der dem Widerstand /?₃ entsprechende Widerstandswert liegt bei etwa 15—60 Ohm maximal für einen Vorspannungswiderstand zwischen 0 und 45 Ω.FIG. 4 shows a circuit with a single transistor instead of the resistor A ₃ in FIG. 1. An FET 26 is used as the transistor, which has a resistor 27 for generating a self-bias voltage. The resistance /? ₃ corresponding resistance value is about 15-60 ohms maximum for a bias resistance between 0 and 45 Ω.

F i g. 5 zeigt einen einzigen bipolaren Transistor 29 anstelle des Widerstands A₃ in F i g. 1. Die Vorspannung wird durch Widerstände 30 und 3i und eine Diode 32 erzeugt, wobei eine Diode 33 einen Stromdurchgang in beiden Richtungen ermöglicht. Die Werte dieser Bauelemente entsprechen denen von Fig.3 mit der Ausnahme, daß die Dioden gewöhnliche Dioden und nicht Zenerdioden sind.F i g. 5 shows a single bipolar transistor 29 in place of resistor A ₃ in FIG. 1. The bias is generated by resistors 30 and 3i and a diode 32, with a diode 33 allowing current to pass in both directions. The values of these components correspond to those of FIG. 3 with the exception that the diodes are ordinary diodes and not Zener diodes.

Die dargestellten Schranken sind positive Schranken, d. h, daß sie ihre Funktion bezüglich der Anschlüsse 1 mit positivem Wert gegenüber Erde durchführen. Sie wären dagegen Kurzschlußschaltungen für Anschlüsse 1, die negativ gegenüber Erde sind, was deshalb eine Ausfall-Sicherheitsbedingung ist. Im Gegensatz hierzu können alle Dioden in den Fig. 1, 2 und 3 umgekehrt geschaltet, die n-Kanal-FETs in Fig.2 durch p-Kanal-FETs ersetzt werden, und die npn-Transistoren in F i g. 2 können durch pnp-Transistoren ersetzt werden. Die Sicherheitsschaltung führt dann ihre Funktion für Anschlüsse 1 aus, die negativ gegenüber Erde sind und es ergibt sich eine Ausfall-Sicherheit durch eineThe bounds shown are positive bounds, d. that is, that they perform their function with respect to terminals 1 with a positive value with respect to earth. she on the other hand would be short-circuit circuits for terminals 1, which are negative to earth, which is therefore a Failure safety condition is. In contrast, all of the diodes in Figures 1, 2 and 3 can be reversed switched, the n-channel FETs in Figure 2 are replaced by p-channel FETs, and the npn transistors in F i g. 2 can be replaced by pnp transistors. The safety circuit then performs its function for Connections 1 that are negative to earth and there is a failure safety through a Kurzschlußverbindung der Anschlüsse 1 mit Erde, wenn diese positiv werden.Short-circuit connection of connections 1 with earth if they become positive.

Die Sicherheitsschaltung in F i g. 1 hat beliebig viele Schranken, jedoch wird der Wert für η vorzugsweise zwischen 10 und 50 gewählt. Der Wert η kann auch kleiner als 10 oder größer als 50 sein.The safety circuit in FIG. 1 has any number of bounds, but the value for η is preferably chosen between 10 and 50. The value η can also be less than 10 or greater than 50.

Je größer π ist, desto größer ist die Wirtschaftlichkeit, aber auch die Wahrscheinlichkeit, daß mehr als eine einzelne Schranke gleichzeitig eine Spannung amThe larger π is, the greater the profitability, but also the probability that more than one single barrier will simultaneously apply a voltage to the Anschluß 7 hat, die zum Umschalten in den Leitzustand der Zenerdiode Z₂ ausreicht. Es ist zu beachten, daß eine Redundanz der Schaltung die Eigensicherheit gewährleistet Wenn die Zenerdiode Z₂ durch die /i-te Schranke 5 in den Leitzustand geschaltet wird, muß dies zumTerminal 7, which is sufficient to switch to the conductive state of the Zener diode Z _2. It should be noted that a redundancy of the circuit, the intrinsic safety guarantees, when the Zener diode Z ₂ i-th through the / barrier 5 is switched to the conducting state, this need for Durchbrennen der Sicherung der η-ten Schranke 5 in wenigen Millisekunden führen. Gleichzeitig würde in den anderen Schranken 5 die Zenerdiode Z\ die entsprechende Sicherung während dieser wenigen Millisekunden durchschmelzen lassen. UnabhängigBurning the fuse of the η-th barrier 5 lead in a few milliseconds. At the same time, in the other barriers 5, the Zener diode Z \ would cause the corresponding fuse to melt through during these few milliseconds. Independent davon liefern die Sicherungen Fund der Widerstand R\ einen schnellen und langsamen Durchschmelzschutz und außerdem enthält eine Schranke immer einen gesteuerten Siliziumgleichrichter 11, um einen Kurzschluß am äußersten Ende zu ermöglichen.of these, the fuses and the resistor R \ provide fast and slow fuse protection and, in addition, a barrier always contains a controlled silicon rectifier 11 to enable a short circuit at the extreme end.

Die sicheren Teile der Sicherheitsschaltung sind mit den Anschlüssen 1, 2 verbunden, während die gefährlichen Teile mit den Anschlüssen 3,4 verbunden sind. Die Anschlüsse 2,4 sind gewöhnlich geerdet. Während bei der dargestellten Sicherheitsschaltung der gefährlicheThe safe parts of the safety circuit are connected to the connections 1, 2, while the dangerous parts are connected to the connections 3, 4. the Terminals 2, 4 are usually grounded. While in the illustrated safety circuit the dangerous Teil eines Geräts od. dgl. aus Einrichtungen besteht, von denen jede einen geerdeten und einen nichtgeerdeten Anschluß haben, können einige Einrichtungen ungeerdet sein oder mehr als einen ungeerdeten Anschluß haben; hierbei sind so viele einzelne SchrankenPart of a device or the like. Consists of facilities, each of which is one grounded and one ungrounded Connection, some devices may be ungrounded or more than one ungrounded connection to have; there are so many individual barriers here notwendig, wie diese ungeerdete Anschlüsse hat, wobei jede derartige Schranke mit ihren Anschlüssen 2,4 mit einer gemeinsamen Schaltung verbunden ist, die geerdet oder ungeerdet sein kann. Die speziellen Parameter der Sicherheitsschaltung ergeben sich aus den Spannungs-necessary as this has ungrounded connections, being each such barrier is connected with its terminals 2, 4 to a common circuit which is grounded or ungrounded. The special parameters of the safety circuit result from the voltage und Stromstärkeparametern üblicher Gleichspannungssysteme. Insbesondere wird die Spannung an den Anschlüssen 3,4 auf etwa 30 Volt begrenzt, wenn eine effektive Last vorhanden ist, die bis zu etwa 250 Milliampere aufnehmen kann, aber normalerweiseand current parameters of common DC voltage systems. In particular, the voltage across the Connections 3.4 limited to about 30 volts if a effective load is present that can accept up to about 250 milliamps, but typically

wesentlich weniger aufnimmt, und die den Widerstand von beispielsweise 150 Ω der Schranke, sowie den Leitungswiderstand und den Ausgangswiderstand der Schranke seitens der Anschlüsse 1, 2 vernachlässigbar werden läßtabsorbs much less, and the resistance of for example 150 Ω of the barrier, as well as the Line resistance and the output resistance of the barrier on the part of connections 1, 2 are negligible can be

so Diese speziellen Parameter, Anforderungen an die Sicherheitsschaltung und Schaltungselemente sind unkritisch und können unterschiedlich sein. Es gibt Systeme mit höheren Spannungen, in welchen Gasentladungsröhren mit kalter Kathode, mechanische Schalterso These special parameters, requirements for the safety circuit and circuit elements are not critical and can be different. There is Systems with higher voltages, in which gas discharge tubes with cold cathodes, mechanical switches

und andere Einrichtungen anstelle der Zenerdioden eingesetzt werden. Grundsätzlich können anstelle von Zenerdioden solche Einrichtungen Verwendung finden, welche gleiche Entladungseigenschaften sowie eine geeignete Strombelastbarkeit und eine geeigneteand other devices can be used instead of the Zener diodes. Basically, instead of Zener diodes such devices are used which have the same discharge properties as well as a suitable ampacity and a suitable

ω Entladungsspannung haben, wie z. B. Tunneldioden.ω have discharge voltage, such as B. tunnel diodes.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Safety circuit with intrinsic safety, consisting of a safe part, a dangerous part and several barriers connecting the safe part with the dangerous part, each of which has the same structure and two diodes, resistors and a fuse, characterized in that in addition to the Barriers (5) a main barrier (5 ') is provided that each of the barriers (5) contains a Zener diode (Z \) as a second diode and a total of two resistance elements (resistors R \, R ₁ ) that all first diodes ( 8) form an OR circuit which connects the barriers (5) with the main barrier (5 '), and that the main barrier (5') has a Zener diode (Zi) and a rectifier connected in parallel to this Zener diode (Zi) -Schu (zkreis (ll, 12,13).

2. Safety circuit according to claim 1, characterized in that a resistance element (Resistance Äj) of the barriers (5) is replaced by an FET circuit (14 to 17).

J. Safety circuit according to Claim 1, characterized in that a resistance element (resistor Rj) of the barriers (5) is replaced by a bipolar transistor circuit (18 to 25; 29 to 33).

4. Sicherheitschaltur.g according to claim J, characterized in that the bipolar transistor circuit (29 to 33) has a single transistor.